JP2009166018A

JP2009166018A - 排水処理装置

Info

Publication number: JP2009166018A
Application number: JP2008029661A
Authority: JP
Inventors: Masami Shoji; 政巳庄子
Original assignee: Seisui Co Ltd
Current assignee: Seisui Co Ltd
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】簡便な構造で、多様な有害成分の処理に対応可能な排水処理装置を提供すること。
【解決手段】鉄、アルミニウム、珪素、チタン、ジルコニウム、コバルト、カリウム、マグネシウムの酸化物と、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、カドミウムの酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む多孔質セラミックからなる第一のセラミック粒体１と、水酸アパタイトを含む多孔質セラミックからなる第二のセラミック粒体２を多孔質セラミック板５の上に載せ、その下に防錆膜に覆われてなる永久磁石３を配置した排水処理装置を構成し、処理の対象となる排水に、塩素または次亜塩素酸塩を添加して処理する。第一のセラミック粒の触媒作用などにより有機物などが分解され、第二のセラミック粒体２により重金属イオンなどを排水から除去できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒作用やイオン交換作用などを発現する機能性セラミックを用いた、排水処理装置に関するものである。

人口や工業生産量の増加に伴い、生活排水や工場からの排水が増加し、排水の浄化処理に関する多様な技術が開発、実用化されている。しかしながら、排水に含まれる処理の対象となる成分には、生活排水に含まれ、河川などの富栄養化に繋がる有機物などから、各種の鉱工業における生産活動の結果生じる、酸、アルカリや重金属のように毒性の強いものに至るまで多岐に亘るのが実情である。

このために、対象となる排水に含まれる成分によって処理の方法が異なり、例えば有機物が含まれる排水の場合では、活性酸素による分解反応や、微生物による生分解などが用いられ、重金属イオンが含まれる排水の場合では、水に不溶な化合物として沈殿させたり、イオン交換によって除去したりする方法がとられる。従って、対象となる排水により、個別の装置を調製する必要が生じる。

例として特許文献１には、排水中の油分を分離する油分分離手段と、前記油分分離手段から排出する分離液を微生物により処理する手段からなる、動植物油や鉱物油等を含有する排水の処理装置が開示されている。しかし、ここに開示されている装置は、油を対象としたもので、酸、アルカリ、重金属イオンなどの処理には適応が不可能である。

また、特許文献２にはイオン交換樹脂を用いて重金属を含む排水を処理する方法とそれを用いたメッキ液の製造方法が開示されているが、この技術は、有機物の分解処理には適応していないものである。さらに特許文献３には、ゼオライト粒子や磁性粒子を用いて、アンモニア、リン酸、水銀等の重金属、有機塩素、環境ホルモンなどの有害物質を吸着して処理する技術が開示されているが、この技術は単に有害物を吸着するだけであり、後処理の方法に課題が残る。

特開２００６−２８９３１３号公報特開２００５−２３８２８１号公報特開２００５−１７７７０９号公報

上記のように、従来の排水処置装置においては、処理の対象となる成分ごとに異なる処理方法が必要となるために、多様な汚染物質を含む排水の処理には、複数の装置を併置することになり、イニシャルコスト及びランニングコストを押し上げる要因となる。この対策としては、例えば同一の処理装置で、重金属イオンを補足するイオン交換樹脂と、有機物を分解する微生物を併用することも考えられるが、微生物によって分解可能な油類が、イオン交換樹脂の表面に付着するとその機能が失われ、逆にイオン交換樹脂で処理可能な重金属イオンなどの毒性で、微生物が死滅してしまうことがある。従って、本発明の課題は、簡便な構造で、多様な有害成分の処理に対応可能な排水処理装置を提供することにある。

本発明は、上記の問題点に鑑み、異なる有害成分に対処可能で、かつ個々の機能を互いに減殺することのない処理方法を併用することを検討した結果、なされたものである。

即ち、本発明は、鉄、アルミニウム、珪素、チタン、ジルコニウム、コバルト、カリウム、マグネシウムの酸化物と、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、カドミウムの酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む多孔質セラミックからなる第一のセラミック粒体と、水酸アパタイトを含む多孔質セラミックからなる第二のセラミック粒体を充填した排水処理槽を有することを特徴とする、排水処理装置である。

また、本発明は、前記第一のセラミック粒体が、チタン酸バリウムを含むことを特徴とする、前記の排水処理装置である。

また、本発明は、処理の対象となる廃液に、塩素または次亜塩素酸塩の少なくともいずれかの溶液を添加する装置を有することを特徴とする、前記の排水処理装置である。

また、本発明は、前記排水処理槽の前後のいずれかに、防錆膜に覆われてなる永久磁石を充填した磁気処理槽が配置されていることを特徴とする、前記の排水処理装置である。

また、本発明は、前記第一のセラミック粒体に、好塩菌、好熱菌、好酸性菌、ＮＴＡ−１から選ばれる少なくとも１種の微生物が含浸されていることを特徴とする、前記の排水処理装置である。

また、本発明は、前記永久磁石の防錆膜が、金属のメッキ膜及び高分子材料からなる膜の少なくともいずれかであることを特徴とする、前記の排水処理装置である。

本発明者らは、先に特許第３５３７０８５号において、鉄、アルミニウム、珪素、チタン、ジルコニウム、コバルト、カリウム、マグネシウムの酸化物と、モリブデンまたはマンガンの酸化物を含む機能性セラミック、即ち、本発明の第一のセラミック粒体を用いることにより、極めて反応性の高いラジカルを発生させ、油脂を始めとする有機物を分解して排水を浄化の浄化に繋げることができることを示した。

さらに詳しくは、処理の対象となる排水に、次亜塩素酸ナトリウムのような次亜塩素酸塩を添加すると、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）と水（Ｈ_２Ｏ）との反応により、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が生成し、排水がアルカリ性なる。この反応速度は通常の状態では極めて低速であるが、第一のセラミック粒体は触媒として機能し、この反応を促進する。次亜塩素酸は、その不安定さのために分解して発生期の酸素、即ち活性酸素を与える。

また、塩素は紫外線によって活性化され、反応性が極めて高いラジカルを生成することがあり、これらの化学種に起因するヒドロキシラジカルが発生することが考えられ、実際に次亜塩素酸ナトリウムの希薄水溶液中において、ヒドロキシラジカルの存在が、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）によって確認されたとの報告がある。

また、第一のセラミック粒体に含まれる酸化第二鉄の表面に、ヒドロキシラジカルが接触することにより、電子が励起されて正孔が生成し、励起された電子は酸素分子（Ｏ_２）を還元してスーパーオキサイドイオンラジカル（Ｏ_２ ⁻）を生成するとともに、正孔は水分子を酸化してヒドロキシラジカルを生成する。

このようにして生成した個々のラジカルに着目すると、その高活性、言い換えれば不安定性のため、存在し得る時間が短いが、一組のラジカルが再結合反応や不均化反応により安定化するまでは、連鎖反応により、有機物の分解反応が継続的に起こる。このために、添加する次亜塩素酸塩や塩素の量が少ない状態でも、効果的な排水処理が可能となる。

しかも、ラジカルは低濃度であるため、微生物を併用しても、微生物を死滅させることがない。油脂類や有機物を生分解により処理すると、反応物を最終的に二酸化炭素及び水にまで分解することも可能なので、排水の処理により発生する汚泥の量を減少するとができる。

一方、本発明において第二のセラミック粒体として用いる水酸アパタイトは、一般にＣａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２で示される化合物で、古来リン肥料の原料として使われたり、近年においては、人体の骨や歯を補修する材料として注目されたりしている。さらには、水酸アパタイトが種々の陽イオンや陰イオンを、イオン交換反応により結晶の内部に取り込むことが明らかになっている。つまり、カルシウムイオンの、鉛イオンやカドミウムイオンなどの有害イオンとの交換反応を利用することにより、水酸アパタイトは環境の浄化に有用である。

また、水酸アパタイトは、光励起によりスーパーオキサイドイオンラジカルを与え、第一のセラミック粒体と同様に、有機物を分解することも認められている。つまり、第一のセラミック粒体と併用し、何らかの方法で励起することにより、有害イオンの除去の他に、有機物の分解にも寄与する可能性がある。

さらに本発明においては、永久磁石を併用することで、磁性を有する重金属を吸着して回収することができる。現在工業的に生産されている永久磁石の中で、最も大きな磁力を発現するのは、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系の磁石であるが、これは酸化に対する耐性が低いので、本発明のような使用方法においては、表面に防錆膜を形成することが必要不可欠である。

現在実用に供されているＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石には、金属メッキ、高分子材料による塗装などが施されているので、本発明においてもこれらを適用することが可能である。また、永久磁石表面に重金属が吸着すると、その除去が困難なので、水を透過しない膜で形成した袋に封入した形で使用すると、表面に防錆膜を形成したのと同じ状態になるとともに、排水処理に使用した後は、封入された磁石を取り出せば、袋の表面の付着物を容易に除けるので、利便性が増加する。

次に本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の第一の実施の形態に係る排水処理装置の例を示す概略図である。図１において、１は第一のセラミック粒体、２は第二のセラミック粒体、３は永久磁石、４は磁石封入袋、５は多孔質セラミック板、６は処理水導入管、７は次亜塩素酸塩溶液導入管、８は処理済液排出管、９は曝気用エアポンプ、１０は曝気用噴気板、１１はエア抜きバルブ、１２はドレンバルブである。つまり、本実施の形態では、磁気処理槽が独立した形式ではなく排水処理槽と一体になっている。

ここで用いた第一のセラミック粒体１は、次のようにして作製した。まず重量比で、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を２０％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１０％、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）を１０％、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を１０％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１０％、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）を２０％、塩化鉄（ＦｅＣｌ_２）を１０％、ゼオライトを１０％の比率で秤量し、湿式で混合し、造粒した後、８０℃×１２時間の条件で乾燥して、原料の顆粒を得た。この原料顆粒を１０ＭＰａの圧力で球状にプレス成形して圧粉体とし、この圧粉体を１１５０〜１６００℃×２４時間の条件で焼成して、直径が約２４ｍｍの球状のセラミック粒体を作製した。

使用に際し、第一のセラミック粒体１には、西野徳三他により発見された、コラーゲンを高効率で分解し、耐熱性プロテアーゼを生産する好熱性菌「ＮＴＡＰ−１」（日刊工業新聞１９９９年９月６日「耐熱性プロテアーゼ生産−新種の細菌を発見−東北大高温コンポスト化有望」の発表記事参照）を含浸させた。

第二のセラミック粒体２は、次のようにして作製した。まず０．３ｍｏｌ／Ｌの水酸化カルシウム（ＣａＯ）懸濁液に、０．５ｍｏｌ／Ｌのリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）水溶液を滴下することにより湿式合成した水酸アパタイト粉体を、３重量％のポリビニルアルコールと１重量％のポリエチレングリコールを含む水溶液からなるバインダ溶液と、重量比で１：１となるように秤量、混合し、乾燥、粉砕して原料粉末を得た。この原料粉末を１０ＭＰａの圧力で球状にプレス成形して圧粉体とし、この圧粉体を１２００℃×１時間という条件で焼成して、直径が約２４ｍｍの球状の水酸アパタイトセラミックを得た。

また、多孔質セラミック板５には、アルミナの多孔質板、永久磁石３には、表面にアルミニウムメッキを施した、直径が約２０ｍｍの球状のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用い、磁石封入袋４には、アルミニウム箔の両面にポリエチレンテレフタレートフィルムを積層したラミネートフィルムを用いた。

この排水処理装置を用いて、４４ｐｐｍの硫化水素（Ｈ_２Ｓ）と、８５ｐｐｍのアンモニア（ＮＨ_３）を含み、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）が１３０、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）が１１５の、養殖漁場から採取した排水を２０日間処理したところ、硫化水素は１．３ｐｐｍに、アンモニアは２．０ｐｐｍに、生物化学的酸素要求量は２８に、化学的酸素要求量は１４にそれぞれ減少していた。なお、この際に排水には、０．５ｐｐｍの濃度となるように次亜塩素酸ナトリウムを添加した。

また、この排水処理装置を用いて、前記と同様にして、２０ｐｐｍの鉛、１８ｐｐｍのカドミウム、５０ｐｐｍの６価クロム、２２ｐｐｍの３価ヒ素を含む水溶液を処理したところ、鉛は０．０１ｐｐｍに、カドミウムは０．０２ｐｐｍに、６価クロムは０．０１ｐｐｍに、３価ヒ素は０．０２ｐｐｍに減少していた。

ここで３価ヒ素が減少したのは、第一のセラミック粒体と次亜塩素酸ナトリウムによって与えられる活性酸素により、３価のヒ素が５価に酸化され、５価のヒ酸イオン（ＡｓＯ_４ ^３−）が、第一のセラミック粒体に由来する鉄、カルシウム、マグネシウムなどのイオンと反応して不溶化沈澱したためと解される。

図２は、本発明の第二の実施の形態に係る排水処理装置の概略を示す図である。図２において、１３は排水導入管、１４は貯留槽、１５は送水ポンプ、１６は流入調整槽、１７ａ、１７ｂ、１７ｃは曝気槽、１８は曝気用エアポンプ、１９は磁気処理槽、２０は排水処理槽、２１は汚泥貯留槽、２２は上澄水貯留槽、２３は塩素注入装置、２４は触媒槽、２５は上澄水還流管、２６はドレンである。本実施の形態では、磁気処理槽１９が、排水処理槽２０とは独立した形で、排水処理槽２０の前に設けられている。

本実施の形態においても、排水処理槽２０と触媒槽２４には、第一の実施の形態と同じく、第一のセラミック粒体と、第二のセラミック粒体を混合して充填してある。塩素注入装置２３から触媒槽２４に塩素を注入することにより、ヒドロキシラジカルが発生するので、曝気槽１７ａ、１７ｂ、１７ｃに導入された排水に含まれる重金属が酸化される他、自然に増殖するバクテリアにより、排水に含まれる有機物が分解される。

曝気槽から排出される排水は、引き続き、磁気処理槽１９に導入され、磁性を有する重金属を吸着して回収することができる。重金属を回収した後は、さらに排水処理槽２０に導入され、第一の実施の形態の場合と同様に処理される。また、排水処理槽２０で生じる上澄水は、上澄水還流管２５により、工場に戻し、冷却水などのインフラストラクチャー用水として用いることも可能である。

さらに処理を終えた排水は汚泥貯留槽２１に導入され、汚泥を沈澱させたのちの上澄水は、上澄水貯留槽２２に貯留され、再び触媒槽に還流される。つまり、本実施の形態においては、実質的に外部に排水を排出ことがないので、環境への負荷を大幅に低減することが可能である。

本実施の形態に係る排水処理装置は、例えば半導体工場から排出される排水の処理に適用できる。半導体工場の排水には、有害物質として、フッ酸、過酸化水素、銅、金、ベンゾトリアゾールなどが含まれるが、それらの濃度を実質的に無害となる程度まで低減することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、多様な有害物質を含む排水処理に適用可能で、しかも構造が簡略な排水処理装置が得られる。従って本発明が環境浄化に寄与するところは極めて大きく、工業上有益である。

なお、本発明は、前記具体例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。即ち、本技術分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る、各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の第一の実施の形態に係る排水処理装置の例を示す概略図。本発明の第二の実施の形態に係る排水処理装置の概略を示す図。

符号の説明

１第一のセラミック粒体
２第二のセラミック粒体
３永久磁石
４磁石封入袋
５多孔質セラミック板
６処理水導入管
７次亜塩素酸塩溶液導入管
８処理済液排出管
９，１８曝気用エアポンプ
１０曝気用噴気板
１１エア抜きバルブ
１２ドレンバルブ
１３排水導入管
１４貯留槽
１５送水ポンプ
１６流入調整槽
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ曝気槽
１９磁気処理槽
２０排水処理槽
２１汚泥貯留槽
２２上澄水貯留槽
２３塩素注入装置
２４触媒槽
２５上澄水還流管
２６ドレン

Claims

鉄、アルミニウム、珪素、チタン、ジルコニウム、コバルト、カリウム、マグネシウムの酸化物と、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、カドミウムの酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む多孔質セラミックからなる第一のセラミック粒体と、水酸アパタイトを含む多孔質セラミックからなる第二のセラミック粒体を充填した排水処理槽を有することを特徴とする、排水処理装置。
前記第一のセラミック粒体は、チタン酸バリウムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の排水処理装置。
処理の対象となる廃液に、塩素または次亜塩素酸塩の少なくともいずれかの溶液を添加する装置を有することを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載の排水処理装置。
前記排水処理槽の前後のいずれかに、防錆膜に覆われてなる永久磁石を充填した磁気処理槽が配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずかに記載の排水処理装置。
前記第一のセラミック粒体は、好塩菌、好熱菌、好酸性菌、ＮＴＡ−１から選ばれる少なくとも１種の微生物が含浸されてなることを特徴とする、請求１ないし請求項４のいずれかに記載の排水処理装置。
前記永久磁石の防錆膜は、金属のメッキ膜及び高分子材料からなる膜の少なくともいずれかであることを特徴とする、装置請求１ないし請求項５のいずれかに記載の排水処理装置。